基于PLC的供水管网SCADA系统的研究(修改).doc

分类号 密级 udc 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 基于基于 plcplc 的供水管网的供水管网 scadascada 系统的研究系统的研究 黄小芹黄小芹 学科专业学科专业 控制工程控制工程 指导老师指导老师 李啸骢李啸骢 教教 授授 企业导师企业导师 高革武高革武 高高 工工 论文答辩日期论文答辩日期 2011 年 月 日 学位授予日期学位授予日期 2011 年 月 日 答辩委员会主席答辩委员会主席 论文评阅人论文评阅人 广西大学学位论文广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文学位论文原创性声明原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过 重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 即时发布 解密后发布 （保密论文需注明，并在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 导师签名： 年 月 日 i 基于基于 plcplc 的供水管网的供水管网 scadascada 系统的研究系统的研究 摘摘 要要 scada（supervisory control and data acquisition，监控与数据 采集）系统是集计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的现代信息 技术，具有遥信、遥测、遥控、遥调功能，它能够有效地提高生产效率。 近年来已被广泛地应用于我国的各个领域，尤其是工业生产领域。 随着城镇人口的增多，传统的水生产管理方法已经无法满足人民生活 和工业生产的用水需求，若在供水管网中采用 scada 系统则可以提高供水 公司日常生产的管理水平，有效合理地利用水资源，满足城镇用水需求。 目前，我国大多数中小城市的供水公司已经建成了各自的供水监控系统， 并取得较好的效果。 本课题以玉林市供水公司为背景，针对该公司的实际情况以及需求， 设计并构建了一个基于 plc 的供水管网 scada 系统。该系统由主站系统、 现场控制系统和通信系统三部分组成。主站系统通过远程终端设备 rtu 以 及 gprs 网络，能够有效地对供水管网水压进行实时监测，并能够为管理 人员进行科学调度水资源提供可靠方案。现场控制系统则采用德国西门子 公司的 s7 系列 plc 来构建，它能够监测该供水公司的整个自来水处理过 程，并根据工艺要求对电气设备进行自动化控制。通讯系统采用因特网、 gprs 无线网络、现场控制总线等多种通讯方式实现数据信息的传输。 本论文讨论的设计方案及实施步骤，对玉林市自来水公司以及其他供 水公司建立供水管网 scada 系统具有一定的参考价值。 关键词关键词： 供水管网 scada 系统 plc ii reserch of water supply network scada system based on plc a abstractbstract scada（supervisory control and acquisition）system is a new information technology，which is supported by computer technology，communication technology and autocontrol technology. with the use of telecommand, telemetering，telecontrol and teleadjusting technology， the scada systerm can effectively improve the production efficiency. so in rencent years，scada systerm has been widely applied in many fields of our country，especially the industial production field. along with the increasing of population in the city，the traditional water supply system has faild to meet the demands of the people and the factories. if the scada system is used in water supply network，it can improve the management level and satisfy the demands of water. this paper is talking about how to build a scada system in the yulin city water supply company. it contains three parts，which is the master station system，the plc control system and the comunication system. the first is master station system，it can get the information of the water network through rtu and gprs network，and it also can help the manager making the right decitions of water supply. the second is plc control system，it let the manager knows the whole water production process directly and vividly，and it also can control the equipment automatically by plc. the last is comunication iii system，it contains the internet，gprs wireless network and profibus，it can help the system to transmit information. the design scheme propose in this thesis has reference value for yulin city warter supply company. keyword：warter supply network scada system plc iv 目目 录录 摘 要.i abstract .ii 第一章 绪 论.1 1.1 项目的背景及意义.1 1.2 研究现状与发展趋势.2 1.3 本文研究的主要内容.3 第二章 供水管网 scada 系统的设计4 2.1 供水管网 scada 系统的设计与开发步骤.4 2.1.1 供水公司的需求分析5 2.1.2 管理信息分析7 2.1.3 系统性能分析8 2.1.4 系统的开发步骤9 2.2 供水管网 scada 系统的架构设计.10 2.2.1 scada 系统的构成.10 2.2.2 scada 系统的主站系统设计.11 2.2.3 scada 系统的现场控制系统设计.12 2.2.4 scada 系统的通信系统设计.13 2.2.5 scada 系统的远程终端单元系统设计.13 2.3 本章小结.14 第三章 供水管网 scada 主站系统的实现15 3.1 scada 主站系统硬件构成及实现15 3.2 scada 系统软件构成及实现17 3.2.1 开发工具的选用与介绍17 3.2.2 系统软件的构建与实现18 3.2.3 系统专业名词解释23 3.2.4 系统界面与功能描述23 3.3 scada 系统软件的上层应用28 3.4 本章小结.30 v 第四章 供水管网 scada 现场控制系统的实现31 4.1 软件简介及设备选型.31 4.1.1 step 7 编程软件简介31 4.1.2 “kingview 组态王”软件简介.32 4.1.3 设备选型32 4.2 plc 控制站功能的实现 33 4.2.1 供水管网 plc 控制站系统.33 4.2.2 取水泵房控制分站的实现41 4.3 本章小结.51 第五章 供水管网 scada 通信系统的实现52 5.1 有线通信系统的实现.52 5.1.1 现场总线技术52 5.1.2 过程现场总线 profibus53 5.1.3 internet 网络技术53 5.2 无线通信系统的实现.53 5.2.1 通信方式的分类及选择54 5.2.2 gprs 无线通信方式.55 5.3 通信协议.59 5.3.1 过程现场总线 profibus通信协议 59 5.3.2 tcp/ip 协议.59 5.4 本章小结.59 第六章 总结及展望60 6.1 总结.60 6.2 展望.60 参考文献.1 致谢.4 攻读学位期间发表的学术论文.5 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 项目的背景及意义 随着社会经济的迅速发展以及人口的日益增加，目前我国水资源的供需矛盾日益 凸显。据对全国 640 个城市的调查研究表明，我国每年缺水的城市高达 300 多个，其 中严重缺水的城市达 114 个，日缺水 1600 万吨，每年因缺水造成的直接经济损失高达 2000 亿元。2002 年，我国城市人口约 4.8 亿，实际人均用水约为 96m3，按照人均每年 120m3的标准，城市总缺水量为 90 亿 m3。当前，我国可利用的水资源总量为 2800 亿 m3，人均占有量不足 2200m3，是世界人均水平的 1/4，是世界上 13 个最缺水的国家之 一，随着经济的快速发展，城市缺水情况更为严重，解决水资源供需问题已经迫在眉 睫12。 近几年，国内许多大中城市的供水公司纷纷投入大量资金建立现代化信息管理系 统，例如供水管网 scada 系统，以提高供配水管理水平、缓解水资源的供需矛盾，达 到高效合理利用水资源的目的，现已初见成效。今后，城市供水公司将会继续加大科 技投入，利用科学技术改善水资源管理制度，以合理调度水资源，从源头上缓解我国 水资源的供需矛盾。 scada（supervisory control and data acquisition）系统，也称为监控与数据 采集系统，它是专用于生产过程监控与调度的自动控制系统，它不仅具有监测生产现 场各类数据信息及监控生产现场设备的功能，还具有监控供水管网和优化生产调度系 统的功能，若将 scada 系统应用于供水管网，则可以高效地解决水资源的供需问题。 基于 scada 的供水管网系统既能够实时监测与分析供配水全过程主要设备的运行情况 和运行参数，还能够辅助给水调度人员及时掌握水资源、各净水厂送水量、配水管网 特征点的运行状态，并提出调度控制依据或实施参考方案，管理人员可以根据预定配 水需求计划方案进行生产调度，可以大幅度提高供配水效率。鉴于 scada 系统所具有 的独特优势，目前，国内大中型城市供水公司已经普遍采用 scada 系统管理供水管网 和生产现场。 本人在该项目中主要负责 scada 现场控制系统中的取水泵房控制分站的设计与实 施工作，该部分的工作内容包括对该控制站点进行需求分析、制定电气控制方案、配 置 plc 硬件设备、分配 i/o 地址、设计电气线路、根据控制要求设计和调试 plc 程序、 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 2 制作控制站点组态软件、现场安装与调试和整理技术文件。取水泵房控制分站建设完 成后，系统在试运行阶段工作稳定可靠，能够满足用户要求。 1.2 研究现状与发展趋势 34 上世纪初，许多发达国家将自动化控制技术广泛应用于工业生产领域后，大大加 快了本国的工业生产效率，并取得了巨大的经济效益。面对发达国家取得的巨大成果， 我国意识到传统的生产制造方式会阻碍经济的发展，因此 80 年代初，国内在工业生产 领域中引进了国外先进的自动化控制技术，同时开始自主研发该项技术，经过多年的 研究与实践，国内的自动化控制技术已日渐成熟，近年来，我国各工业生产领域已经 逐步采用国内自主研发的自动化控制系统，并取得了较好的成效。虽然国内自动化控 制技术已经成熟，但由于我国各区域经济发展的不平衡，目前各城镇的供配水和生产 自动化水平仍存在较大的差异，有的水厂自动化程度很高，有的水厂自动化程度较低， 即便有一部分水厂已经采用自动化控制系统，但是仍存在一些不足之处，具体如下： （1（资金问题是困扰许多水厂不能一步到位地建设自动化控制系统，只能够逐步建 设和完善系统，因此在同一个水厂会存在不同类型和等级的控制系统及控制方 式，便造成系统兼容性差、维护难等问题； （2（过去大部分水厂都采用进口的智能检测仪表，但由于售后服务缺失，存在仪表 安装与维护困难的问题，若在使用过程中出现故障，经常无法修复，最终设备 闲置，造成水厂的经济损失； （3（控制系统的监控及通信功能不稳定，导致系统无法真正有效地提高生产效率； （4（自来水生产工艺较为复杂，容易受到气候、季节、地域等外界因素的影响，例 如，要准确地控制投药量，不仅需要合理的控制算法，还需要长期观测该地区 的水浊度变化情况，要合理地调度水资源，则应建立有效的供配水管网系统数 学模型。 提高供水公司的生产效率，需要建立一套具有良好的开放性、兼容性以及实用性 的供水综合自动化控制系统，这是未来的发展趋势。该综合系统一般包括企业生产过 程的 scada 系统、企业现代化管理系统、网络自动抄表收费系统以及供配水管网数学 模型系统，其中企业生产过程的 scada 系统是其他系统建立的基础。近几年，我国在 供水管网中采用计算机技术、plc 监控技术、智能化仪表以及通讯技术建立的 scada 系 统已经取得较好的成效，它具有较好的稳定性、开放性以及实用性。尤其是目前在工 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 3 业控制系统中，广泛采用的模块化设计理念和现场总线控制技术，能够为用户构建具 有良好的开放性及兼容性的 scada 系统，彻底解决系统不兼容的问题，最终帮助供水 公司实现逐步投入资金以构建和完善 scada 系统的梦想。 1.3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是：如何根据玉林市供水公司对 scada 系统的要求及投入经 费预算，设计和构建一套经济适用的供水管网 scada 系统。承建方根据该公司的供配 水和自来水生产工艺流程要求，提出了一套系统的设计方案，在工程实施过程中，不 断地修改和完善该方案，最终为用户成功地构建了一个供水管网 scada 系统。 论文以该工程项目为案例，用六个章节详细描述供水管网 scada 系统的设计与实 现，以供其他公司参考，各章节内容如下： 第一章：绪论 本章主要介绍项目设立的背景、意义以及本人在该项目中所担任的工作，并简单 分析了我国目前供水系统存在的问题以及今后的发展趋势； 第二章：供水管网 scada 系统的设计 本章主要介绍了玉林市供水公司对 scada 系统的要求，并根据需求设计了供水管 网 scada 系统的架构，其中包括主站系统、现场控制系统、通信系统、远程终端单元 系统的架构设计方案，它为系统的实现构建了一个初步的框架。 第三章：供水管网 scada 主站系统的实现 本章主要介绍了 scada 主站系统构建的具体方案以及实施步骤，其内容包括主站 系统硬件的构成及实现、主站系统软件的设计与实现、系统软件功能简介、系统软件 的界面展示与说明等内容。 第四章：供水管网 scada 现场控制系统的实现 本章主要介绍了现场控制系统中各 plc 控制分站的功能以及构建方案等，虽然各 分站的控制要求不同，但是其设计与实现方式基本相同，因此本章以取水泵房 plc 控 制分站为例详细阐述了该分站的实现步骤。 第五章：供水管网 scada 通信系统的实现 本章主要介绍了 scada 系统中经常采用的各种通信介质、通信方式、通信协议， 并针对玉林市供水公司的实际情况，描述了本系统在各层之间所使用的通信系统。 第六章：总结与展望 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 4 本章根据用户试运行该系统后的感受，对本项目进行了简单的总结，其中包括项 目实施过程中存在的问题与解决方案、系统性能情况的分析等，并对今后如何优化系 统性能提出展望。 第二章 供水管网 scada 系统的设计 2.1 供水管网scada系统的设计 与开发步骤 5-7 随着人民生活水平的提高及城市人口的增长，人们对饮用水质量以及供水效率的 要求也随之增高，这就迫使供水公司要不断改进生产工艺、扩大供水系统规模、增加 供水量以满足用户需求。尽管长期以来供水公司为保证有效供水，已经研制出一套行 之有效的生产规程及管理方法，但是这种传统模式已经难以满足供求关系，如果将现 代自动化控制技术引入供水系统中，则可以实现对整个供水系统的监控、预测、管理 以及优化调度，保证供水公司能够高效地产水及供配水。scada 系统相比其他的现代自 动化控制系统，具有明显优势，因此近年来在供水管网中得到广泛采用。 在设计供水管网 scada 系统前，我们首先要了解自来水的生产过程，一般自来水 的生产过程见图 2.1。 水源取水净水供配水用户 图 2.1 自来水生产过程框图 fig.2.1 tap water production process diagram 从图 2.1 可知，自来水的生产过程分为取水、净水、输水三个部分，每个过程需 完成的任务是： （1） 取水过程：通过若干台大型离心泵将所需的水量从水源抽取原水，水源可来自 地下水或地表水。 （2） 净水过程：该过程在净水厂进行，水厂对送入的原水进行净化处理，以达到用 水标准，其过程主要包括药剂配置与投加、混凝、沉淀、过滤。 （3） 供配水过程：包括输水过程和配水过程两部分，输水过程负责将原水输送至净 水厂，配水过程负责将净化的水通过供水管网配送至各用水点，为保证有效供 水，可根据实际情况在供水管网中增设中途加压站、测压点，见图 2.2。 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 5 图 2.2 自来水供配水流程图 fig.2.2 tap water supply flow 在自来水生产过程中，以净水厂的生产工艺最为复杂，其工艺流程见图 2.3。 净水出厂原水 混凝沉淀过滤消毒 图 2.3 净水厂工艺流程框图 fig.2.3 tap water production flow 从图 2.3 可知，净水工艺包括混凝、沉淀、过滤和消毒四个过程，在自来水生产 过程中引入 scada 系统，不仅可以提高生产效率，还可以提高自来水水质，达到高效 利用水资源的目的3。 2.1.1 供水公司的需求分析 玉林市供水公司的自来水生产的工艺流程见图 2.4。 图 2.4 玉林市供水公司水生产工艺流程框图 fig.2.4 the water process of yulin city water supply company 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 6 玉林市供水公司制水工艺流程见图 2.5。 图 2.5 玉林市供水公司制水工艺流程图 fig.2.5 the water process of yulin water supply company 根据图 2.4、图 2.5 两幅流程图，可将该供水公司的生产工艺流程归纳为五个过程： 取水过程、配置与投加药剂过程、混凝沉淀过程、过滤过程及送水过程。设计供水管 网的 scada 系统时，可按照这五个模块设计生产现场数据采集与控制部分的功能： （1）取水过程：该过程是通过取水泵抽取苏烟水库的原水，送至配水井，在这个 过程中，系统需要监测原水流量、出厂水水位、机组电量、机组温度，并根据中心调 度室的指令监控四台低压取水泵、四台高压取水泵、两台排水泵的启停及变频运转； （2）配置与投加药剂过程：负责按照工艺要求配置适量的矾和氯，并投入矾和氯 以达到混凝和消毒的目的，在该过程中，系统需要监测原水浊度、加氯量、余氯，并 需要监控静态管式混合器和加氯机。 （3）混凝沉淀过程：负责监控混合、絮凝、沉淀过程，在该过程中，需要监测水 流量、温度、浊度，需要监控反冲洗流程。 （4）过滤过程：通过石英砂去除水中的悬浮杂质，澄清水，并按工艺要求定时反 冲洗石英砂，在该过程中，需要监控每个滤池鼓风机的电流及工作时间、冲洗泵的的 电流及工作时间。 （5）送水过程：负责将自来水以一定的压力和流量送入供水管网，并监控供水管 网水压，该过程需要监测清水池水位、浊度、余氯、水压、流量、电机温度、机组电 量、供水管网水压，并监控六台送水泵的启停及变频运转。 设计时应先确定上述过程中的现场采集数据信息以及控制信号，哪些是模拟量哪 些是数字量，以及采用何种控制方式等。接着再分析和汇总供水公司各职能部门所需 要的数据信息、报警界限以及控制权限，确保各职能部门能够及时获取所需数据信息 并具有对应的系统监控权限，如出现问题，系统能够及时报警。例如中心调度室需要 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 7 根据供水管网水压和流量信息来完成日常的自来水生产调度工作，scada 系统则应定时 为该部门提供供水管网水压和流量的数据信息；中心控制室需要监控整个制水过程以 确保水质和水量， scada 系统则应为该部门提供整个净水流程中所需实时数据信息 （如水浊度、余氯、水位等） ，并赋予其制水流程系统的控制权限。 总之，本系统应该包含实时数据采集功能、监控现场设备生产情况功能、历史数据 存储及处理功能、报警功能、生产调度功能，以确保供水系统的正常运行，进而优化 调度系统以提高生产效率。 2.1.2 管理信息分析 根据该供水公司的系统需求分析，本供水管网 scada 管理信息系统应具备以下功能： （1）数据采集功能 系统根据公司调度中心的调度生产要求，需要采集以下的数据信息：供水管网各 测压点的水压、电源供电情况、耗电量、进/出厂水量、ph 值、余氯、原水浊度、出厂 水浊度、各控制阀和泵机的运行参数等。 （2）数据传送功能 将现场采集到的数据实时地传送到生产调度中心服务器，即主站系统服务器。 （3）数据显示以及分析功能 主站系统将获得的各种信息和数据，通过分析、加工，以图表、动画等形象的方 式显示出来，以便于管理人员直观地了解生产情况。 （4）历史数据的存储、查询、分析及检索功能 根据公司各部门的信息检索、查询以及分析历史数据的要求，系统应能够实现历 史数据存储、查询、分析及检索功能。 （5）报表显示以及打印功能 系统自动生成各类生产情况的日、月和年报表，并能够随时打印。 （6）遥控功能 系统根据公司生产调度需求，允许操作人员在调度中心遥控有关水泵的启/停。 （7）报警功能 如果管网水压出现异常（不足或超限） ，或者水泵出现运行异常（电压、电流不足 或过载） ，系统及时报警。 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 8 （8）网络功能 将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。 2.1.3 系统性能分析 本系统在设计及建设当中，应满足以下原则： （1）可靠性原则 可靠性原则指系统应具有强大的容错能力以及处理突发事件的能力，即发生突发 事件时，不会导致数据丢失或者系统瘫痪，同时还要保证系统数据库中的所有数据应 准确可靠，这个原则是本系统最核心的原则。 （2）实用性原则 实用性原则指系统应尽可能地满足供配水业务需求且灵活实用，该原则体现在能 够便于系统管理、用户应用、数据更新以及系统升级等方面，同时还体现在具有完善 的数据库、系统优化的系统结构以及灵活简便的用户界面上，该原则是系统设计的基 本出发点和最高要求。 （3）经济性原则 经济性原则指在保证各项功能完满实现的基础上，以最好的性价比来配置系统的 软件和硬件，甲乙双方共同合作，在较短时间内完成系统的建立，使系统尽快发挥经 济效益与社会效益。 （4）科学性原则 科学性原则指系统应采用“供配水管网系统数学模型”仿真和优化供水管网，因 此在设计与开发系统时，应以“软件工程”的思想及方法来构建该系统，从而保证系 统结构具有科学性和合理性。 （5）开放性原则 开放性原则指系统应具有强大的兼容性及拓展性，若开发系统软件时采用面向对 象技术和控件技术，今后能方便地重构和搭建系统，同时也便于系统不断地扩充和完 善。 （6）完备性原则 完备性原则指系统中的各种数据应是全面的、完整的，且能够最大限度地满足系 统各项功能的需要。 （7）规范性原则 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 9 规范性原则指系统各项功能应符合供水公司供配水管网的管理要求，信息编码应 遵循行业标准、地方或国家颁布实施的规范。 （8）可操作性原则 可操作性原则指系统应有良好的用户界面，用户操作简便、易学易懂、灵活且符 合供水行业的实际工作模式。 （9）先进性原则 先进性原则体现在设计系统和硬件配置时，应充分考虑到系统今后的发展和升级， 让系统具备一定的扩展能力，尽量采用先进的应用系统技术。 2.1.4系统的开发步骤 本供水管网 scada 系统的开发将分为可行性研究分析、初步设计、详细设计、系 统实施、系统测试和系统运行维护六个阶段进行，开发系统时不完全按照这六个阶段 的先后顺序直线进行，而是发现一个环节出现问题或者存在不足之处时，都要回到相 应的阶段进行修改和完善，直至 scada 系统竣工验收完毕。scada 系统的设计与开发步 骤流程见图 2.6。 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 10 图 2.6 scada 系统设计与开发步骤流程图 fig.2.6 the design and development of scada system 2.2 供水管网scada系统的架构设计 2.2.1 scada 系统的构成 在供水管网中引入 scada 系统可以实时有效地对供水过程进行监控与管理，本系 统结构见图 2.7。 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 11 图 2.7 scada 系统结构图 fig.2.7 the structure of scada system 从图 2.7 中可知，scada 系统主要包含三部分：第一部分是主站系统（上位机） ， 包括管理层、数据存储分析层及 scada 监控层，负责监控现场控制系统；第二部分是 现场控制系统（下位机） ，负责采集相关数据（如管网水压情况等） ，以及对现场设备 （如水泵）的控制；第三个部分通信网络，负责主站网络系统内部的通信，现场控制 系统网络内部的通信，以及主站系统与现场控制系统之间的通信。虽然 scada 系统的 这三个组成部分功能不同，但是在 scada 系统中采用的“集中管理、分散控制”的构 思，保证了各系统能够独立运行，并具有较强的安全性。因此，这三者有效的集成构 成了具有强大功能的 scada 系统，实现了对整个供水过程的有效监控3。 2.2.2 scada 系统的主站系统设计 scada 系统的主站系统一般包括硬件系统部分及软件系统部分。 1、硬件系统的设计 硬件系统包括由计算机组成的工程师工作站、管理者工作站、操作员工作站、web 服务器、数据库系统、通讯前置系统等。各部分的功能如下： （1）工程师工作站：负责组态制作及系统的维护工作； （2）管理员工作站：负责进行生产调度管理，确保系统正常运行； 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 12 （3）监控工作站：负责监控整个生产过程，为生产调度中心提供现场信息，并根 据调度指令控制现场设备； （4）web 服务器：提供网上信息浏览服务； （5）数据库系统：保存历史数据、实时数据的服务器； （6）通讯前置系统：主要用于解析各种不同的通讯协议，完成数据转发和处理， 包括计算机、monden、串口、网络接口、防雷设备、机架等； （7）附属设备：包括投影仪、投影幕、打印机等。 2、软件系统的设计 开发 scada 软件系统常用的系统平台及工具有：windows、unix、linux 操作系统 平台，oracle、sybase、sql server 数据库平台，vb、vc+开发语言。本 scada 软件 系统的开发基于 windows 操作系统平台，采用 vb.net 进行前台开发，sol server 进行 后台数据维护，可以实现预测及优化算法，并具有人机对话环境、精致的动态图形界 面。 scada 主站的软件管理系统按功能分为 8 个管理子系统，其结构如图 2.8 所示。 图 2.8 scada 主站的软件管理系统框图 fig.2.8 the structure of scada software 2.2.3 scada 系统的现场控制系统设计 scada 系统的现场控制系统一般由现场监控站、plc 控制分站及通讯网络三部分 所组成，该系统部分的设计包括以上三部分，plc 控制分站在整个现场控制系统中起 到承上启下的作用，其性能将直接影响整个控制系统，其设计流程如图 2.9 所示。 地 形 图 库 管 理 子 系 统 管 网 数 据 库 管 理 子 系 统 管 网 数 据 管 理 子 系 统 管 网 报 警 管 理 子 系 统 管 网 事 故 处 理 子 系 统 管 网 维 护 管 理 子 系 统 管 网 通 讯 管 理 子 系 统 管 网 生 产 调 度 子 系 统 scada 主站软件管理系统 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 13 图 2.9 scada 系统现场 plc 控制站设计流程框图 fig.2.9 the plc design flow of scada system 在设计现场控制系统时，必须考虑以下三个方面：一，保证系统的正常运行；二， 投入资金有效合理；三，在满足以上两个条件的前提下，应具有一定的前瞻性，今后 若生产工艺发生改变，plc 控制分站应有一定的拓展空间，因此 plc 控制分站的设备 选型非常重要。 2.2.4 scada 系统的通信系统设计 通信系统在 scada 系统中极为重要，它可以保证系统数据信息的实时可靠传输以 及控制命令的准确传达。一个大中型的 scada 系统一般包含多层次的通信网络，且通 信形式多种多样。对于本 scada 系统而言，应根据该供水公司的实际情况选用合适的 通信方式，例如，该供水公司各管网测压点地域分散，因此需要采用无线通信网络监 测管网水压；现场控制系统需测试的数据信息和控制设备类型多样，则采用现场总线 通信方式；控制中心与现场控制站点之间采用有线通信方式；控制中心内部采用以太 网通信方式。 2.2.5 scada 系统的远程终端单元系统设计 scada 系统的远程终端单元系统包括各类检测仪表和执行设备，如 pac、智能仪表、 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 14 可编程逻辑控制器 plc、远程终端设备 rtu 等，它从属于现场控制系统，在系统中起着 重要作用，它可以完成生产现场数据信息的采集以及现场电控设备的控制等。 2.3 本章小结 本章详细说明了玉林市供水公司供配水调度以及水生产的工艺流程，针对该公司 实际情况进行供水管网 scada 系统的需求分析，并根据需求设计了一套经济适用的供 水管网 scada 系统的架构，其中包括主站系统、现场控制系统、通讯系统、远程终端 单元系统的架构设计方案，为系统的实现做好准备工作。 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 15 第三章 供水管网 scada 主站系统的实现 3.1 scada主站系统硬件构成及实现 供水管网 scada 系统是否能够稳定、可靠且有效地运行，最基础的条件是要保证 系统具有性能稳定的硬件设施，因此在设计 scada 主站系统的软件部分之前，我们应 该根据系统的需求，以及用户的资金预算，购置性价比较为合理的硬件设备。一般 scada 主站系统的硬件部分包括通讯前置系统、工程师工作站、管理者工作站、操作员 工作站、实时数据库服务器、历史数据库服务器、web 服务器七个部分。本供水管网 scada 主站系统的硬件结构见图 3.1。 图 3.1 供水管网 scada 主站系统的硬件结构图 fig.3.1 the hardware structure of water supply scada master station system 当 scada 系统应用在不同的工业领域时，对硬件设备的性能要求也各不相同。因 此，工程设计人员应根据用户的实际情况，配置适合当前系统需求且具有一定扩展性 的硬件设备，不需要一味地追求高性能配置。供水管网 scada 主站系统的硬件选择原 则及其配置情况如下： 1通讯前置系统8 通讯前置系统是 scada 主站系统的通信枢纽，一般包括前置计算机、moden 池或串 口池、网络接口、防雷措施及机架，它主要负责各种不同规约的解析、通讯接口数据 的处理等，可实现远动系统的连接、站级计算机的连接及站内信息的采集等功能。 通讯前置系统必须具有较强的抗电磁干扰能力、实时性及低功耗等性能，研华 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 16 udo-2170 是一款高性能的通用网络控制器，可以满足以上性能要求。本系统采用两台 研华 udo-2170 通用网络控制器作为主/备通讯前置机，以构建实时稳定的网络系统。 2工程师工作站 工程师工作站主要负责制作组态画面以及维护系统等工作，因此硬件要求具有较 强图像处理能力，一般由若干计算机构成，可根据实际需要选择计算机的台数。本系 统的工程师工作站由 2 台计算机构成，一备一用，它们之间可以相互通讯，采用的是 联想扬天 a6880f c2d e7500 2g500rh(xp)q 型号的计算机。 3管理员工作站 生产调度中心的管理员负责监控整个供水管网，实时通报生产及管网运行情况， 并制定调度方案，以保证有效可靠地为用户供水，发生突发事件时要协助各相关部门 迅速制定处理方案。因此管理员工作站应具有系统画面监控、报警及处理等功能，硬 件要求具有快速而稳定的事件处理能力。本系统的管理员工作站由 2 台计算机构成， 它们之间可以实现互相通讯，采用联想扬天 a4600k pdc e5500 2g500dh(w7b)型号的 计算机。 4操作员工作站 操作员工作站负责实时监控整个自来水生产过程的情况，它依据生产调度工作站 发出的命令来控制生产过程中的现场设备，保证系统的正常运行，因此硬件要求实时 性强且运行稳定。监控工作站一般可以仅由一台服务器和若干显示屏构成，服务器负 责接收管理员工作站发出的指令以及对现场设备发出控制命令，其余的显示屏只需要 显示各现场设备工作情况的组态画面或者视频画面即可。本系统的监控站由一台服务 器和 2 台 19 寸显示器构成，服务器采用联想 thinkstation e20 4222dc2 型号的服务 器。 5实时数据库服务器 实时数据库是数据库技术与实时处理技术的结合，它在 scada 系统中主要用于生 产过程的自动采集、存储及监控，它帮助用户完成现场生产过程数据的实时采集与存 储，并通过画面形式反映当前的生产情况，为用户提供准确清晰的操作画面，这样既 能够消除企业管理与生产过程控制之间的鸿沟，又为企业上层应用软件的信息挖掘提 供了有效的数据来源。供水公司的生产管理者要及时了解生产情况，因此实时数据库 必须提供与现场生产情况同步的监控画面，并要求系统具有高效的查询功能，以便于 决策者快速地做出正确判断和决策，保证生产的正常进行。由此可见，scada 系统中的 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 17 实时数据库系统应具备实时、可靠及稳定的特性，要满足这些特性就要求系统硬件具 有较大的内存容量和较快的存储速度。本系统配置硬件时优先考虑以上因素，尽量选 取性价比较高的硬件设备，以保证系统的正常运行。实时数据库服务器采用联想 d20 415538c 型号的服务器。 6历史数据库服务器 历史数据库主要用于存储生产过程中的历史数据，这些历史数据对企业来说极有 价值，多年的管理经验告诉我们，要改进生产工艺并合理生产调度则需要在这些数据 的基础上进行科学地统计、分析和建模，最终形成更为行之有效的生产管理流程。历 史数据库服务器要存储大量的数据信息，因此需要具备大容量的存储空间，本系统采 用联想 d20 415538c 大客户机型服务器。 7. web 服务器 web 服务器负责为用户提供网上信息浏览服务，是多媒体信息查询工具。由于生产 过程的实时数据统一存放在实时数据库中，因此，供水公司各部门要查看目前的生产 过程情况，则需要通过 web 服务器。本系统的 web 服务器采用联想 thinkstation e20 4220a17 型号的服务器。 3.2 scada系统软件构成及实现 3.2.1 开发工具的选用与介绍 1. visual basic.net910 visual basic.net 是 microsoft 公司推出的 visual basic 最新版本，它具有操作 简单、易学和易用的特点，同时增加了新的组件并增强了面向对象的特性， 实用性强。 它支持多种编程语言，开发人员可以根据实际需要自由选择 c#、visual c+或 visual basic.net 语言，这样既可以发挥各种语言的特有优势，还可以减少企业培训开发人员 的费用。因此，visual basic.net 以其独特的优势占据了软件开发市场。 2. sql server 200811 sql 称为结构化查询语言，是一种数据查询和程序设计语言，用于存取数据以及查 询、更新和管理关系数据库系统，它结构简单、功能强大、简单易学，得到广泛应用。 sql server 是专用于开发关系数据库的大型管理软件，该软件允许在 microsoft .net 开发环境中，使用 sql 语言开发数据库。 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 18 sql server 2008 是至今为止最全面和最强大的 sql server 版本，它为开发人员 提供了一系列丰富的集成服务，能够对数据进行查询、搜索、分析、同步及报告之类 的操作，由 sql 开发的数据可以存储在各类设备上。 3.2.2 系统软件的构建与实现12 1. 系统总体结构 根据供水公司的需求，构建的供水管网 scada 软件系统总体结构见图 3.2。 图 3.2 scada 软件系统总体结构图 fig.3.2 the structure of scada software system 供水管网 scada 系统是建立在管网压力实时监测系统、plc 实时监控系统及 gis 地 理信息系统之上的管理系统，它包括地形图管理子系统、管网数据库管理子系统、管 网数据管理子系统、管网报警子系统、管网数据报警子系统、管网数据处理子系统、 管网维护子系统、管网通信子系统和生产调度管理子系统，其中生产调度管理子系统 需要对供水公司供水管网进行历史分析，以建立“供配水管网优化系统” 。 2scada 管理子系统功能描述 （1）地形图库管理子系统 地形图库管理子系统主要负责开发 scada 系统的监控界面，开发人员可以利用该 系统建立地形图库，亦可将所需数据信息以图形、报表等直观方式呈现给管理人员， 对当前系统的工作情况以及生产调度情况实时监控。在该系统中，管理人员有权输入 并编辑图形和数据信息，并可以检索、查询、比较相关数据信息，最终达到全面了解 和详细分析管网信息的目的。 （2）管网数据库管理子系统 数据库管理子系统包含实时数据库系统、历史数据库系统和关系数据库系统。实 浏览器 1pc1浏览器 n浏览器 2pcnpc2 历史数据库 scada 管理系统 实时数据库 gis 地理信息系统 web 服务器 数据服务器 管网压力实时监测系统 plc 实时监测系统 广西大学工程硕士学位论文 基于 plc 的供水管网 scada 系统的研究 19 时数据库系统主要负责存储实时采集到的数据信息，以方便管理人员随时可以掌握实 时数据信息；历史数据库主要负责历史数据的存储、检索、查询及分析工作，以帮助 管理人员了解及分析过去的工作情况；关系数据库主要负责建立相关数据信息之间的 关联关系。 （3）管网数据管理子系统 数据管理子系统包括数据采集、传输及处理三个子系统，它主要负责完成数据信 息的采集、传输、显示、分析、打印等。数据采集子系统主要负责采集控制中心所需 的数据信息，例如管网水压信息、水泵的运行参数、能耗、进出水量、ph 值、余氯、 浊度等；数据传输子系统主要负责将采集到的数据信息实时传送给控制中心，可采用 有线或无线方式；数据处理子系统主要负责将获取到的各种数据信息进行分析以及加 工，以形象、生动、直观的方式呈现给控制中心，以帮助管理人员监控远程现场设备， 管理人员也可根据需要可以将数据信息以图形或报表的方式打印存档。 （4）管网报警子系统 报警子系统主要负责监控水泵运行情况及水压是否正常，若水泵电压、电流出现 不足或过载、水压不足或超限的情况，系统则会自动报警。 （5）管网事故处